Discovery and characterization of submarine groundwater discharge in the Siberian Arctic seas: A case study in Buor-Khaya Gulf, Laptev Sea

It has been suggested that increasing freshwater discharge to the Arctic Ocean may also occur as submarine groundwater discharge (SGD), yet there are no direct observations of this phenomenon in the Arctic shelf seas. This study tests the hypothesis that SGD does exist in the Siberian-Arctic shelf seas but its dynamics may be largely controlled by complicated geocryological conditions such as permafrost. The field-observational approach in the southeast Laptev Sea used a combination of hydrological (temperature, salinity), geological (bottom sediment drilling, geoelectric surveys) and geochemical (224Ra, 223Ra and 222Rn) techniques. Active SGD was documented in the vicinity of the Lena River delta with two different operational modes. In the first system, groundwater discharges through tectonogenic permafrost talik zones was registered in both wintertime and summertime seasons. The second SGD mechanism was cryogenic squeezing out of brine and water-soluble salts detected on the periphery of ice hummocks in the wintertime season. The proposed mechanisms of groundwater transport and discharge in the arctic land-shelf system is elaborated. Through salinity versus 224Ra and 224Ra/223Ra diagrams, the three main SGD-influenced water masses were identified and their end-member composition was constrained. Further studies should apply these techniques to a broader scale with the objective to reach an estimate of the relative importance of the SGD transport vector relative to surface freshwater discharge for both the water balance and aquatic components such as dissolved organic carbon, carbon dioxide, methane, and nutrients

New acoustical technique to quantify methane ebullition in sediment water column: a case study in the Laptev sea, the Аrctic Оcean

Актуальность исследования обусловлена необходимостью разработки научно-обоснованного подхода к количественной оценке пузырькового переноса метана (СН 4) и других газов на основе акустических методов, позволяющих проводить достоверную оценку потока метана из областей его пузырьковой разгрузки с помощью эхолотов и гидролокаторов. Цель исследования: разработка репрезентативного акустического метода количественной оценки потока метана из областей пузырьковой разгрузки в системе донные осадки - водная толща, основанного на определении количества всплывающих пузырьков, по данным о сечении их обратного рассеяния; обоснование репрезентативности разработанного метода путем сравнения с методом, основанным на проведении специальной калибровки научного эхолота по искусственному газовому факелу. Объекты: газовые факелы - эманации газа в виде всплывающих со дна пузырьков, которые образуют в водной толще устойчивые области их повышенной концентрации. Методы: разработанные авторским коллективом методы оценки потока СН 4 из областей пузырьковой разгрузки, основанные на измерении: 1) сечения рассеяния всплывающих пузырьков; 2) калибровки по искусственному газовому факелу. Результаты. Представлен обзор современных акустических дистанционных методов, применяемых для оценки потоков СН 4 в водной толще, связанных с выходящими из дна и всплывающими пузырьками. На примере обширной области пузырьковой разгрузки СН 4 на шельфе моря Лаптевых обоснована репрезентативность предложенного нового метода, основанного на расчете по сечению обратного рассеяния всплывающих пузырьков СН 4. Показано, что оценки величины пузырькового потока, полученные двумя методами: 1) новым методом, разработанным авторами, и 2) методом калибровки эхолота по искусственному газовому факелу, дают схожие результаты: 0,27±0,06 и 0,33±0,07 ммоль м-2 с-1 , соответственно. Таким образом, на практике для дистанционной и оперативной оценки потоков СН 4 с участков его пузырьковой разгрузки можно использовать оба метода, с учетом занижения расчета потока по сечению обратного рассеяния примерно на 20 % относительно реальных значений.The relevance of the research is caused by the need to develop a scientifically based approach to quantitative estimation of bubble transfer of methane and other gases based on acoustic techniques, which allow reliable estimate of methane flow from the bubble unloading areas by sound locators and submarine sonars. The main aim of the research is to investigate the possible application of an acoustical technique based on acoustic scattering in bubble plumes vs the acoustical technique based on calibration which was applied to quantify in situ sonar observations; to show that both techniques can be used for a quantification of methane ebullition in the bottom-water column system. Objects: gas flares or seeps - the emanations of gas in the form of rising bubbles from the seabottom, which form stable regions of their increased concentration in the water column. Methods: modification of acoustical techniques based on acoustic scattering in bubble plumes and on ist calibration which was applied by authors to quantify in situ single sonar observations. Results. We demonstrate a first attempt to use acoustical techniques based on (1) acoustic scattering in bubble plumes vs acoustical technique based on (2) calibration which was applied to quantify in situ sonar observations. It has been shown that both techniques can be used for a quatitative express-evaluation of methane ebullition in the bottom-water system in any aquatic ecosystem including seas, lakes, and rivers, while the first acoustical technique gives the bubble efflux values ~20 % lower then the second acoustical technique